Heisenbergs osäkerhetsprincip, den grundläggande omöjligheten att samtidigt mäta egenskaper som position och momentum, är kärnan i kvantteorin. Fysiker vid ETH Zürich har nu visat ett elegant sätt att slappna av denna inneboende inkompatibilitet med hjälp av en mekanisk oscillator bildad av en enda instängd jon, öppna en väg för grundläggande studier och praktiska användningsområden.

Heisenbergs osäkerhetsprincip innebär att det finns en grundläggande gräns för den precision med vilken så kallade komplementära variabler, som position och momentum, kan mätas. Det är, ju mer exakt hastigheten och riktningen (och därmed momentum) för en kvantpartikel är känd, desto mindre säker kan vi vara om dess position. Anmärkningsvärt, denna inneboende begränsning kan släppas upp när mätningarna extraherar periodiska funktioner för position och momentum med en karakteristisk längd och momentumskala, respektive. Enkelt uttryckt, osäkerheten i någon av variablerna kan spridas i stort, kamliknande strukturer där varje tand fortfarande är relativt skarp, vilket möjliggör exakta mätningar inom ett begränsat område.

Christa Fluehmann och kollegor i gruppen Jonathan Home vid fysiska institutionen vid ETH Zürich har nu undersökt användningen av sådana modulära positions- och momentmätningar för att studera det dynamiska beteendet hos en mekanisk oscillator som består av en enda instängd jon. Som de rapporterar i ett papper som dök upp online idag Fysisk granskning X , de använde sekvenser med flera periodiska positions- och momentmätningar - genom att variera perioden, de kunde kontrollera huruvida en mätning störde tillståndet för följande. Vid specifika värden under perioden, de fann att sådana mätningar kan förhindra störningar, medan andra val gav stor störning. Observationen av störningar är en signatur på att enstaka jonen uppvisar kvantmekaniskt beteende-för en klassisk oscillator, de modulära mätningarna förväntas alltid vara ostörda.

Möjligheten att ställa in graden av störning mellan efterföljande mätningar öppnar möjligheten att utföra grundläggande tester av kvantmekanik. Kvantmekanik kan särskiljas från klassisk fysik genom att överväga orsakssamband - hur mycket en mätning stör nästa - och också genom att titta på samband mellan mätningar. Fluehmann et al. utforska det senare genom att mäta tidskorrelatorer mellan de sekventiella mätningarna och använda dem för att bryta mot den så kallade Leggett-Garg-ojämlikheten (vilket också är omöjligt med ett rent klassiskt system).

I detta fall, vissa av kränkningarna kan inte förklaras av störningen mellan efterföljande mätningar. Förhållandet mellan störningar och kränkningar av Leggett-Gargs ojämlikhet är subtil, men endera metoden bekräftar oscillatorstaternas kvantkaraktär. Verkligen, dessa tillstånd är bland de mest komplexa kvantoscillatortillstånd som hittills har producerats. De generaliserar det berömda Schroedingers katttankexperiment till åtta olika mesoskopiska tillstånd, analogt med att en katt befinner sig i olika sjukdomsfaser snarare än att vara helt enkelt död eller levande.

Med tanke på praktiska konsekvenser, modulär position och momentmätning är centrala komponenter i ett antal förslag för kvantberäkning och precisionsmätningsprotokoll som utnyttjar periodiska positions- och momentfunktioner för att undkomma Heisenbergs osäkerhetsprincip. Fluehmanns och hennes medarbetares arbete utgör en grundläggande ingrediens-mätning-för sådana tillämpningar, så att de kommer närmare.